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我們知道地球圍繞太陽轉,但地球怎麼知道太陽在哪裡?

在浩瀚的宇宙,速度是我們探索太空的關鍵,但速度和它對宇宙的影響是難解的謎題。有件事可以確定,速度能開啟大門,通往一個我們意想不到的宇宙。在宇宙中,速度決定一切。愛因斯坦告訴我們速度如何改變時間和太空,向我們展示了宇宙奇特的一面,一個速度統治一切的宇宙。

愛因斯坦的俠義相對論指出,速度如何改變時空結構,在接近光速時,時間變得緩慢行走,在達到光速時,時間就停滯不前。同時愛因斯坦還提出了廣義相對論,廣義相對論被稱為人類史上最偉大的科學理論。

廣義相對論是基於狹義相對論,以及狹義相對論對速度的解釋,廣義相對論提出關於宇宙運作的全新科學理論,在這些理論中解釋最清楚的就是重力。重力式在兩個有品質的物體之間作用的力量,所以只要是有實體的東西,就有自己的重力場,而且會對重力場起反應。重力確保地球上所有事物不會飄走,把一顆球往天上扔,重力會把球來下來。重力也確保所有行星繞行太陽。但長久以來,沒人知道其中的原因,困難在於認清為何會是這樣,地球確實繞行太陽,但地球怎麼知道太陽在哪裡?

廣義相對論提出了答案,原來一切都跟時空有關。宇宙萬物皆在時空結構中存在,任何有品質的事物,例如星體或行星都會扭曲時空結構,就像把重球放在一張橡膠布上。那麼把重球放在橡膠布中間會發生什麼呢?橡膠布會凹陷下去,而重球就類似太陽,如果把一個玻璃球放在橡膠布上,玻璃球就會自動感知到重球(也就是太陽)的位置,而玻璃球就類似地球。太陽,地球或宇宙中其他天體也是這樣,它們扭曲時空結構,附近較小的物體都會掉落。扭曲的時空能解釋月球為何繞行地球,以及地球為何繞行太陽,繞行速度避免月球墜落地球,也讓地球免於撞上太陽。

廣義相對論讓我們更了解重力,但也預測了似乎只會出現在科幻小說的某種事物。它預測謎底極高的天體會撕裂時空結構,我們稱之為黑洞。黑洞是巨大天體,在時空結構造成又大又深得凹陷。把超大品質壓縮成一小點就形成黑洞。當地球所有品質都被壓縮成不到一英寸寬的小點才會變成黑洞。從本質上來說,黑洞是變成超新星的巨大恆星殘留物,是恆星死亡後的產物。

越接近黑洞,繞行速度要更快才能留在軌道,事實上,當太過靠近黑洞,速度再快都無法留在軌道,即使以光速移動都逃不出黑洞,這就叫事件視界。事件視界是重力極強之處,任何速度,包括光速都無法留在軌道。

我們一直沒有親眼看見黑洞,但科學家認為在宇宙中,每個星系中心都有一個,因為他們看到每個星系中心,都有強大能量急速湧出,包括我們所在的銀河系。科學家們也看到物質不斷旋轉,然後消失在看似空無之處。廣義相對論指出,速度對宇宙運作扮演的角色,這雖然撼動了物理學的根基,卻也讓我們對宇宙了解更深,廣義相對論預測黑洞的存在,也指出在宇宙可能發生奇特現象。

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